远距离反中微子探测、定向与测距的理论研究

本文介绍了我们称为"NUDAR"（中微子定向与测距，NeUtrino Direction and Ranging）的概念，指出利用观测到的能量和方向矢量，即使仅通过单个探测器，也能被动推导出地球物理及人为中微子源的精确三维位置及其热功率。我们提出了迄今为止最精确的背景估计，这些估计在深度和地理位置上均以完整的三维形式给出。对于当前的计算，我们考虑了一个假设的 138 千吨级探测器，该探测器可运输至海洋站点并部署至作业深度。我们提出了一种贝叶斯估计框架，以纳入关于待探测反应堆的任何先验知识，以及背景估计和振荡参数的不确定性。最重要的是，我们充分利用了反应堆能谱的知识以及中微子振荡对该能谱的距离依赖效应。特别是后者，使得在给定足够的信号统计量的情况下，能够从单一位置确定距离。此外，我们探讨了即使在单个中微子方向测定方面取得适度改进，也能显著提升探测能力的巨大潜力。我们得出结论：一个 300 MWth 的反应堆确实可以被地理定位，并且利用一两个百千吨级的探测器，在数百公里的距离范围内估算其运行功率。我们指出，此类探测器在地球中微子、中微子振荡和天体物理中微子的科学研究中具有自然且无干扰的用途。这推动了构建和部署此类下一代探测器的成本效益方法的发展。